本次研究范围为向家坝站至三峡坝址, 重点研究金沙江下游梯级水库蓄水后三峡库区(朱沱水文站至三峡大坝760 km范围内)洪峰沙峰异步特性的变化。图 1为金沙江下游梯级水库至三峡水库示意图。

图  1  梯级水库至三峡库区示意

Figure 1.  Sketch of the cascade reservoirs—the Three Gorges Reservoir area

研究资料为2003—2018年库区主要水文站的实测水文资料。为了计算梯级水库蓄水前后库区平均水深和水流传播时间, 还收集了2008年以及2015年三峡库区实测地形资料。考虑到向家坝、溪洛渡水库于2012年、2013年相继蓄水运行, 因此, 将研究时段划分为2003—2012年以及2013—2018年两个时段。

本文重点研究三峡水库入库以及库区洪峰沙峰异步特性的变化, 对于入库洪峰沙峰异步特性的变化, 考虑到梯级水库蓄水对长江干流洪峰沙峰的影响, 选取屏山站作为梯级水库蓄水前上游代表站, 向家坝站作为梯级水库蓄水后上游代表站, 朱沱站作为长江干流代表站, 同以往研究^[6]一样, 寸滩站作为入库代表站；考虑到支流入汇对入库洪峰沙峰异步特性的影响, 选取高场站作为岷江代表站以及北碚站作为嘉陵江代表站。对于库区洪峰沙峰传播特性的变化, 选取朱沱站、寸滩站、清溪场站、万县站、庙河站作为库区代表站。

对于入库洪峰沙峰选取标准为依据入库站(寸滩站)流量含沙量过程线选取特征较明显的洪峰和沙峰。为了研究洪峰和沙峰在库区的传播特性, 典型洪水的选取标准为同一场洪水的洪峰以及沙峰均能传至坝前。采取实测资料分析法以及理论分析法, 分析梯级水库蓄水后三峡库区洪峰沙峰异步特性变化及其影响因素。对于沙峰类型的判别, 若洪峰沙峰同时出现, 为协调沙峰, 若沙峰先出现洪峰后出现, 为超前沙峰, 反之为滞后沙峰, 具体判别方法如图 2所示。

图  2  沙峰类型判别方法

Figure 2.  Classification method of sediment peak

根据入库代表站(寸滩站)2003—2018年实测水文资料统计可以发现: 2013年梯级水库蓄水运行之后, 三峡入库水沙条件变化主要表现为汛期平均流量减少、汛期平均含沙量大幅度减少以及悬沙粒径变粗。汛期平均流量削减, 减少幅度为8%；汛期平均含沙量大幅度削减, 减少幅度为67%, 如图 3(a)所示。尽管汛期含沙量降低, 汛期入库水流携带泥沙量占全年来沙量比重仍然巨大(90%以上)。汛期泥沙中数粒径增加, 如图 3(b)所示。

图  3  2003—2018年汛期入库流量、含沙量以及泥沙中数粒径变化过程

Figure 3.  Change process of average inflow, sediment concentration and medium sediment size from 2003 to 2018

本文依据2003—2018年三峡水库入库代表站(寸滩站)实测资料总共选取111场洪水过程, 按照沙峰分类标准, 统计寸滩站各类沙峰出现次数以及比例。可以得出, 金沙江下游梯级水库蓄水后, 寸滩站滞后沙峰占比增加, 从21.67%增加到37.25%；超前沙峰比例减小, 从36.67%减少到11.76%；协调沙峰比例增加, 从41.67%增加到50.98%。金沙江下游梯级水库蓄水之后, 入库滞后沙峰比例增加最多。

根据2003—2018年实测水文资料统计, 以2013年梯级水库蓄水为时间分界点, 选取从寸滩到坝前的33场典型洪水过程, 统计库区洪峰以及沙峰传播时间。

(1) 洪峰传播特性变化  统计洪峰入库寸滩站—坝前庙河站传播时长, 可以发现，金沙江下游梯级水库蓄水后, 三峡库区汛期洪峰平均传播时间由1 d减少为0.833d。

(2) 沙峰传播特性变化  统计各区间以及寸滩—庙河的沙峰平均及最大传播时长, 如表 1所示, 可以看出, 金沙江下游梯级水库蓄水之后, 沙峰在库区传播时间增加, 具体表现为:梯级水库蓄水后, 寸滩—清溪场的沙峰平均传播时间基本不变, 沙峰最大传播时间减少；其余各区间的沙峰平均传播时间以及沙峰最大传播时间均有所增加。其中, 万县—庙河沙峰传播时间增加最多, 沙峰平均传播时长增加了3.7 d, 沙峰最大传播时长增加了7 d。

不同区域来水来沙入汇会造成洪峰沙峰传播特性发生变化, 即水沙异源造成洪峰沙峰异步现象, 同时洪峰沙峰在库区传播过程中由于传播速度不同也会造成洪峰沙峰异步现象。因此, 从入库泥沙来源变化以及库区洪峰、沙峰传播特性影响因素3个方面分析金沙江下游梯级水库蓄水后整个三峡库区入库以及库区洪峰沙峰异步特性变化的原因。

三峡水库悬移质泥沙主要来源于上游长江干流来沙和嘉陵江支流来沙。梯级水库蓄水以来, 向家坝水库下泄泥沙减少, 整个三峡水库入库泥沙来源发生变化, 由前文2.2节统计已知, 入库泥沙中滞后沙峰比例增加最多, 因此, 从长江干流以及支流两方面分析泥沙来源变化对入库(寸滩站)洪峰沙峰异步特性的影响。

长江干流(朱沱站)泥沙来源包括上游干流来沙、岷江支流入汇、向家坝至朱沱站区间流域来沙以及河床补给4个部分(由于实测资料有限, 无法进一步区分区间流域来沙和河床补给, 将流域来沙和河床补给视为整体进行统计)。梯级水库蓄水前, 朱沱站泥沙来源主要为上游干流来沙, 而梯级水库蓄水后, 其沙量来源有所改变。根据屏山站、向家坝出库站、高场站以及朱沱站实测水文资料, 统计梯级水库蓄水前后朱沱站来沙占比的变化, 从表 2可以看出:梯级水库蓄水前, 朱沱站泥沙来源为上游干流来沙(84.87%)；梯级水库蓄水后, 朱沱站泥沙来源主要为向家坝至朱沱区间流域来沙以及河床冲刷补给来沙(69.52%)。

长江干流泥沙来源变化导致长江干流本身洪峰沙峰异步特性变化。河床冲刷补给过程由于其反应的滞后性^[11]以及流域产沙过程由于生物保护层、土壤湿润度等影响^[4]均导致沙峰形成过程中滞后于洪峰。因此, 梯级水库蓄水后, 由于长江干流泥沙来源变为河床冲刷补给和区间流域来沙为主, 长江干流(朱沱站)滞后沙峰比例从28.41%增加到38.46%, 如表 3所示。

向家坝至寸滩区间内主要支流为嘉陵江和岷江, 嘉陵江作为最大的支流, 在此重点分析嘉陵江入汇对于入库洪峰沙峰异步特性的影响。统计2003—2018年汛期入库(寸滩站)来水来沙占比, 如表 4所示, 可以发现, 梯级水库蓄水后, 嘉陵江来沙占比从14.77%增加到38.67%, 嘉陵江在水沙入汇过程中影响比重增加。表 3可以发现梯级水库蓄水后, 嘉陵江滞后沙峰比例从18.18%增加到32.50%。

2018年汛期整个三峡库区入库含沙量大, 仅7月11—17日入库沙量达到7 440万t, 均大于2014—2017年全年入库输沙量, 选取2018年汛期一场场次洪水进一步分析嘉陵江来沙占比变化对洪峰沙峰异步特性的影响, 选取的典型洪水过程为2018年7月3—6日。洪水期间长江干流、嘉陵江来水来沙占比如表 4所示, 可以看出, 在该场次洪水过程中, 嘉陵江为主要泥沙来源(55.89%)。

不同区域水沙入汇叠加可能会造成沙峰与洪峰不同步。由2018年典型洪水期间朱沱站、寸滩站和北碚站流量以及含沙量过程图 4可以看出, 朱沱分别于7月4日和5日出现洪峰(28 100 m³/s)和沙峰(1.79 kg/m³), 沙峰比洪峰滞后1d, 北碚站于7月4日出现洪峰(18 300 m³/s)和沙峰(3.16 kg/m³), 沙峰洪峰同步。若无嘉陵江支流入汇, 由于沙峰传播过程较洪峰慢, 朱沱站滞后沙峰运动至寸滩站仍然为滞后沙峰, 但嘉陵江的洪峰沙峰入汇叠加, 导致朱沱站滞后沙峰传播至寸滩站变为协调沙峰, 寸滩于7月5日出现洪峰(43 700 m³/s)和沙峰(1.76 kg/m³), 沙峰洪峰同步。

图  4  场次洪水不同站流量和含沙量过程

Figure 4.  low and sediment concentration process at different tations in one flood event

根据2018年典型洪水分析可以发现，嘉陵江来沙占比巨大(55.89%), 因此, 嘉陵江在水沙入汇过程中影响比重大, 水沙过程叠加导致长江干流洪峰沙峰异步特性发生变化。

岷江作为另外一条支流入汇, 对长江干流洪峰沙峰异步特性有所影响, 其影响机理同嘉陵江类似。从表 2看出，梯级水库蓄水后, 岷江来沙占长江干流(朱沱站)来沙比例从15.13%增加到26.84%, 在水沙入汇过程中其影响比重增加。岷江的协调沙峰以及滞后沙峰占比大, 如表 3所示。岷江支流入汇会使得长江干流协调沙峰和滞后沙峰比例增加。对于长江干流而言, 长江干流泥沙从河床中补给以及岷江入汇共同造成长江干流滞后沙峰比例增加最多。

综合以上两方面分析得到:金沙江下游梯级水库蓄水后, 向家坝拦截泥沙导致长江干流含沙量大幅度降低, 长江干流(朱沱站)泥沙来源由向家坝上游来沙为主变成向家坝至朱沱区间河床冲刷补给及区间流域来沙为主, 一方面直接导致长江干流本身洪峰沙峰异步特性发生变化, 另一方面岷江和嘉陵江在水沙入汇过程中影响比重变大, 进一步导致入库洪峰沙峰异步特性发生变化, 综合表现为入库(寸滩站)沙峰中滞后沙峰比例增加最多。

由2.3可以发现，梯级水库蓄水后, 洪峰传播相对加快, 沙峰传播变慢, 即库区沙峰滞后洪峰现象有所加剧, 因此, 从洪峰、沙峰传播特性影响因素两方面分析库区沙峰滞后现象加剧的原因。

对于整个三峡库区而言, 洪峰在库区传播特性转变的原因尚未得知, 因此, 从洪峰传播分区的角度分析洪峰流量对于洪峰传播特性的影响。根据洪峰传播特性^[12-14]可知, 库区洪水传播以运动波和动力波的形式运行。一般可以将水库中洪水特性分为3段, 如图 5所示, 上游为河流区, 洪水波以运动波为主, 运动波波速为w=ku(k为1~2之间的常数, u为水流平均流速)；紧临坝前一段为平水区, 洪水波以动力波为主, 动力波波速为$ v = u + \sqrt {gh} $(h为平均水深)；中间一段为过渡区(也叫库河区), 波速介于运动波与动力波波速之间。

图  5  水库分区

Figure 5.  Reservoir interval

洪峰从入库传播到坝址过程中其运动速度发生变化, 即洪水波运动特性发生变化, 可采用如下办法进行洪水波运动特性的分析判别。具体方法^[15]为:当h₀≫λi时, 区间为平水区；当h₀≪λi时, 区间为河流区；当h₀与λi为同一量级, 区间为过渡段。其中, λ为洪水波波长；i为库区河段底坡(能坡)；h₀为区间平均水深。h₀与λi的比值可以作为判别标准, 比值为1~10之间可作为过渡段分界标准。

对于区间的划分, 根据以往的研究成果^[16], 大致判断出朱沱站至寸滩站以运动波为主, 清溪场站至庙河站以动力波为主, 中间部分为运动波向动力波转换的区间(过渡段)。洪峰流量对于洪水波运动特性影响的主要区间为寸滩—清溪场之间, 通过对比梯级水库蓄水前后寸滩—清溪场之间洪水波运动特性的相对变化来说明洪峰流量的影响, 因此, 依据水库实测资料以及三峡水库朱沱—大坝断面观测布置总图将中间过渡段进一步细分。中间过渡段断面编号从寸滩(CY09)至清溪场(S262+A), 将中间的断面数进行等分, 取相应等分处的断面位置, 分别对应为木桐镇、长寿水文站以及李渡区, 在此基础之上采用上述方法进行定性上的初步判定。将区间的每一段长度视为最大波长来进行分析, 此时波高为最大波高λi, 通过比较区间的平均水深h₀以及最大波高λi, 得到相应区间的洪水波运动特性。

梯级水库蓄水后, 入库汛期流量降低(减幅8%), 为了说明入库洪峰流量对洪峰传播特性的影响, 选取梯级水库蓄水前后的两场典型洪水和实测地形资料进行对比分析。采取上述方法进行计算判别, 基本信息如表 5所示, 计算结果如表 6所示。

由表 6可以发现:对于2008年的场次洪水, 朱沱站至寸滩站以运动波为主, 寸滩至李渡区为运动波向动力波转换的区间(过渡段), 李渡区至庙河以动力波为主；而对于2015年场次洪水而言, 朱沱站洪峰流量降低15 000 m³/s, 朱沱至寸滩站为河流区, 而寸滩至李渡区中的长寿水文站—李渡区由原本的运动波向动力波转换的区间(过渡段)转变为动力波主导的区域, 李渡区至庙河段仍然以动力波主导的区域。

三峡水库蓄水之后, 原本的河道变成库区, 水深增加, 原本符合运动波传播特性的区间转变为符合动力波传播特性的区间, 同时由于汛期洪峰流量变化不大, 运动波部分传播速度基本上不变, 动力波波速大于运动波, 因此洪峰传播时间从原本的3d减小到1 d。

梯级水库蓄水之后, 库区水深基本上保持不变, 动力波速度基本上保持不变, 而汛期洪峰流量降低导致水流平均流速降低, 同时部分运动波向动力波转换的区间(过渡段)转变为动力波为主的区间, 加上运动波向动力波转换的区间(过渡段)内洪峰传播速度介于运动波波速和动力波波速之间, 因此, 洪峰传播相对加快, 洪峰传播时间从1d降低到0.833 d。

悬移质泥沙随水流运动, 水流速度决定泥沙运动速度, 同时悬移质泥沙本身性质也会影响泥沙运动速度, 因此，从洪峰流量、悬移质泥沙两方面分析沙峰传播特性变化的原因。

(1) 从洪峰流量角度分析悬移质泥沙传播快慢与水流流速大小有关, 水流流速越大, 泥沙随水流运动越快, 因此选取2003—2018年典型场次洪水, 建立场次洪水沙峰传播时间与洪峰流量之间的关系, 如图 6所示。从图 6可以发现, 2013年金沙江下游梯级水库蓄水后, 入库洪峰流量越大, 沙峰传播越快, 沙峰传播时间越短。

图  6  沙峰传播时长与洪峰流量关系

Figure 6.  Relationship between duration of sediment peak and peak flow

梯级水库蓄水后, 入库站洪峰流量降低(减小8%), 进一步说明入库洪峰流量对沙峰在各区间的传播特性影响, 选取梯级水库蓄水前后的两场典型洪水和相应的实测地形资料来进行对比分析。采用与3.2.1节相同的两场典型洪水和对应三峡水库实测地形资料, 基本信息如表 5和表 6所示。依据上述资料, 计算寸滩—清溪场、清溪场—万县、万县—庙河3个区间水流平均流速和区间水流运动时间, 同时统计3个区间沙峰传播时间, 得到计算结果对比见表 7。

由表 7可以看出, 2015年场次洪水较2008年场次洪水而言, 寸滩站洪峰流量降低5 000 m³/s, 三峡库区各区间水流平均流速均降低, 因此, 各区间水流平均运动时间增加, 沙峰传播时间也相应增加。而由于万县至庙河段距离最长, 该段水流平均运动时间增加最多, 故该段沙峰传播时间增加最多。由对比结果可以看出, 金沙江下游梯级水库蓄水后, 洪峰流量降低, 水流平均流速降低, 沙峰传播时间增加。

(2) 从悬移质泥沙方面分析  悬移质泥沙随水流运动, 且运动速度与其附近水流流速相等。含沙量沿垂线分布由劳斯公式$ \frac{S}{{{S_a}}} = {\left( {\frac{{h - y}}{y} \cdot \frac{a}{{h - a}}} \right)^{\frac{\omega }{{K{U_{_*}}}}{\text{ }}}}$得到^[17], 含沙量存在上稀下浓的含沙量梯度。式中: S为垂线上距床面高度为y点处的含沙量, kg/m³；S_a为垂线上距床面高度为a的参考点处含沙量, kg/m³；h为水深, m；a为参考点距床面距离, m；ω为泥沙沉速, d为泥沙粒径, 由于d < 0.15 mm, 故ω∝d²；K为卡门系数; U_*为摩阻流速, m/s。流速垂线分布为$ \frac{U}{{{U_m}}} = \frac{y}{h}\left( {2 - \frac{y}{h}} \right)$, 流速分布上大下小。式中: U为距床面高度为y点处的水流流速, m/s; U_m为水面处水流流速, m/s。

当悬移质泥沙粒径变粗时, 悬浮指标ω/KU_*会增加, 泥沙含沙量分布更加不均匀, 含沙量上稀下浓的程度加剧, 整个悬移质运动相当于近底的高浓度含沙水体运动, 故整个悬移质泥沙的运动速度降低, 悬移质泥沙运动时间增加。反之, 悬移质泥沙粒径变细时, 整个悬移质泥沙运动速度增加, 悬移质泥沙运动时间降低。

由图 3(b)可知, 梯级水库蓄水后, 三峡水库汛期入库泥沙平均中数粒径从2003—2012年的0.009 3 mm增加到2013—2018年的0.011 2 mm, 入库泥沙粗化, 重力作用突出, 悬移质泥沙分布更加不均匀, 使得整个悬移质泥沙随水流运动速度降低, 沙峰传播时间增加。

综合以上分析可知，沙峰传播速度与洪峰流量、泥沙颗粒粒径有关。洪峰流量降低, 水流平均流速降低, 同时泥沙颗粒粒径增加, 重力作用明显, 沿垂线方向含沙量梯度增加, 因此, 悬移质泥沙随水流运动速度越慢, 运动时间越长。

(1) 金沙江下游梯级水库蓄水后, 三峡水库洪峰沙峰异步现象加剧, 表现为入库沙峰中滞后沙峰比例增加最多，洪峰传播时间减少，沙峰在库区传播时间增加。

(2) 金沙江下游梯级水库蓄水后, 向家坝拦截泥沙导致长江干流含沙量大幅度降低。初步分析得到长江干流(朱沱站)泥沙来源由上游干流来沙为主变成向家坝至朱沱区间河床冲刷补给及区间流域产沙为主, 一方面直接导致长江干流本身洪峰沙峰异步特性发生变化, 另一方面岷江和嘉陵江在水沙入汇过程中影响比重变大, 进一步导致入库洪峰沙峰异步特性发生变化, 综合表现为入库(寸滩站)沙峰中滞后沙峰比例增加最多, 从21.67%增加到37.25%。

(3) 洪峰传播与洪峰流量以及水深均有关。三峡水库蓄水之后, 库区水深增加, 原本运动波传播部分变为动力波传播, 洪峰传播速度增加, 洪峰传播时间从3d减少到1 d；梯级水库蓄水后, 库区水深基本保持不变, 故动力波速度基本上保持不变, 汛期洪峰流量降低导致水流平均流速降低, 运动波向动力波转换的区间(过渡段)转变为动力波为主的区间, 加上运动波向动力波转换的区间(过渡段)内洪峰传播速度介于运动波和动力波, 因此洪峰传播相对加快, 表现为洪峰传播时间从1d减少到0.833 d。

(4) 沙峰传播与洪峰流量、泥沙颗粒粒径均有关。梯级水库蓄水后, 入库泥沙颗粒粒径增加, 含沙量沿垂线分布梯度增加, 重力作用相对突出, 洪峰流量降低, 水流平均流速降低, 沙峰在三峡库区传播速度降低, 沙峰传播时间增加, 综合表现为沙峰传播时间从4.65d增加到8.58 d。